RC电容震荡器电路专业课程设计.docx

摘 要
此次课程设计目标是设计一个RC电容振荡电路。RC振荡电路由放大电路和选频网络两部分组成,施加正反馈就产生振荡，振荡频率由RC网络频率特征决定。它起振条件为：Rf>2R1，振荡频率为：fo=1/2πRC。运算放大器选择LM741CN,采取非线性元件来自动调整反馈强弱以维持输出电压恒定，进而达成自动稳幅目标，这么便能够确保输出幅度为2Vp-p；而频率范围确实定是依据式fo=1/2πRC和题目给出频率范围来确定电阻R或电容C值，进而使其满足题目标要求。
关键词：RC振荡电路、振荡频率、输出幅度

目 录
1设计任务与要求 1
1.1课程设计的目的 1
1.2 课程设计的任务与要求 1
1.3 课程设计的技术指标 1
2 电路原理及分析 2
2.1电路组成 2
2.2正弦波振荡电路的基本工作原理 3
2.2.1产生正弦振荡的条件 3
2.2.2正弦波振荡=电路的组成判断及分类 3
2.2.3判断电路是否振荡的方法 3
2.2.4正弦波振荡电路的检验 4
2.3 振荡电路中的负反馈 4
2.4 RC串并联网络的选频特性 4
3、设计方案与比较 7
3.1RC移相振荡电路 7
3.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路 7
3.3双T选频网络振荡电路 7
4 参数计算及器件选择 8
4.1 器件的选择 8
4.2理论数据处理 8
4.3实验数据处理 8
4.4 理论数据与实验数据的对比 8
4.5 误差分析 8
5 仿真与调试 9
5.1仿真软件Multisim 11.0 9
5.2电路的仿真 11
5.3仿真电路的调试和结果 11
6 实物图 13
7 结论和心得总结 14
致谢 16
参考文献 17
附录 18

1设计任务和要求
1.1课程设计目标
1. 掌握由集成运算放大器组成RC正弦波振荡电路工作原理和电路结构。
2. 掌握RC桥式正弦波振荡电路仿真调测。
3. 深入掌握用双踪示波器使用方法。
4. 掌握常见元器件识别和测试。
5. 熟悉常见仪表。
6. 掌握电路板焊接，和元件在电路板上插法。
1.2 课程设计任务和要求
1．设计一个f0=1.6KHzRC正弦波振荡电路。
2．对设计电路进行仿真。
3．根据完成仿真电路进行实物焊接。
4．焊接后电路板在示波器上进行检测。
5．进行课程设计总结。
1.3 课程设计技术指标
1． 要求输出波形：正弦波。
2．输出频率： 1.6 KHz。

2 电路原理及分析
此次课程设计关键是是设计一个RC正弦波振荡器，电路图以下：

2.1电路组成
(1)放大电路 含有一定电压放大倍数．其作用是对选择出来某一频率信号进行放大。依据电路需要可采取单级放大电路或多级放大电路。
(2)反馈网络 是反馈信号所经过电路，其作用是将输出信号反馈到输入端，引入自激振荡所需反馈，通常反馈网络由线性元件R.L和C按需要组成。
(3)选频网络 含有选频功效，其作用是选出指定频率信号，方便使正弦波振荡电路实现单一频率振荡。选频网络分为LC选频网络和RC选频网络。使用LC选频网络正弦波振荡电路，称为LC振荡电路；使用RC选频网络正弦波振荡电路，称为RC振荡电路。选频网络能够设置在放大电路中，也能够设置在反馈网络中。
(4)稳幅步骤 含有稳定输出信号幅值作用，方便使电路达成等幅振荡，所以稳幅步骤是正弦波振荡电路关键组成部分。
2.2正弦波振荡电路基础工作原理
2.2.1产生正弦振荡条件
正弦波产生电路目标就是使电路产生一定频率和幅度正弦波，通常在放大电路中引入正反馈，并发明条件，使其产生稳定可靠振荡。正弦波产生电路基础结构是：引入正反馈反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必需满足幅度条件；要确保输出波形为单一频率正弦波，必需含有选频特征；同时它还应含有稳幅特征。所以，正弦波产生电路通常包含：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路部分。
2.2.2正弦波振荡=电路组成判定及分类
（1）放大电路：确保电路能够有从起振到动态平衡过程，电路取得一定幅值输出值，实现自由控制。
（2）选频网络：确定电路振荡频率，是电路产生单一频率振荡，即确保电路产生正弦波振荡。
（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路输入信号等于其反馈信号。
（4）稳幅步骤：也就是非线性步骤，作用是输出信号幅值稳定。
2.2.3判定电路是否振荡方法
（1） 是否满足相位条件，即电路是否正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；
（2） 放大电路结构是否合理，有没有放大能力，静态工作是否适宜；
（3） 是否满足幅度条件。
2.2.4正弦波振荡电路检验
(1) |AF|<1， 则电路不可能振荡；
(2) |AF|>1， 则电路能够振荡，不过会出现显著非线性失真，需要加强穏幅步骤作用；
(3) |AF|=1， 则电路能够振荡。
振荡电路在起振过程中，要求|AF|>1， 这么才能确保振荡信号幅度不停加大。而在起振过程完成后，必需使|AF|=1，电路能够维持振荡。
2.3 振荡电路中负反馈
依据以上分析可知，RC串并联网络振荡电路中，只要达成|A|>3，即可满足正弦波振荡起振条件。但|A|值又不能太大，不然振荡太强，将超出放大电路线性区而产生严重失真。放大电路中引入了较深电压串联负反馈，它作用不仅能够提升放大倍数稳定性，改善振荡电路输出波形，而且能够深入提升放大电路输入电阻，降低输出电阻，从而减小了放大电路对RC串并联网络选频特征影响，提升了振荡电路带负载能力。所以，振荡电路振荡频率即为RC串并联网络f0=1/2πRC，调整R和C就能够改变振荡频率。
改变电阻RF或R＇阻值大小能够调整负反馈深度。RF愈小，则负反馈系数F= R＇/( R＇+ RF )愈大，负反馈深度愈深，放大电路电压放大倍数愈小；反之，RF愈大，则负反馈系数F愈小，即负反馈深度愈弱，放大电路电压放大倍数愈大。假如电压放大倍数太大，则可能输出幅度太大，是振荡波形产生显著非线性失真，应调整RF和R＇阻值，使振荡电路产生稳定而失真较小正弦波信号。
2.4 RC串并联网络选频特征
假设U频率能够调整。当信号频率很低时，对于串联支路来说，有1/(ωC1)>>R1, 对于并联支路来说，有1/(ωC2)>>R2。这时，Uf比U超前某一角度，这一角度小于90 º。
当信号频率很高时，对于串联支路来说，有1/(ωC1)<<R1, 对于并联支路来说，有1/(ωC2)<<R2。这时，Uf比U滞后某一角度，这一角度也小于90º。
我们知道，当RC串并联网络输入信号U频率从低频到高频连续改变时，其输出信号Uf和输入信号U之间将产生一个从超前90º到滞后90º连续改变信号。所以，一定存在着某一频率，使得和之间既不超前，也不滞后，二者相位相同。
下面对RC串并联网络频率进行定量分析。
在电路中，Z1为R1、C1串联阻抗，则
Z1=R1+1/(jωC1)
Z2为R2、C2并联阻抗，则
Z2=R2∥1/ (jωC2)=R2/(1+jωR2C2)
电路传输增益可表示为
=Uf/U=Z2/(Z1+Z2)
即（通常，取R1=R2=R,C1=C2=C）

令，则上式为
由此可得幅频特征为
||=
相频特征为

由上式可得RC串并联正反馈网络幅频特征和相频特征表示式和对应曲线。
ω

φF
-90°
90°

相频特征曲线
幅频特征曲线
ω0
1/3

ω
ω0

由特征曲线图可知，当ω＝ω0＝1/RC时，正反馈系数||达最大值为1/3，且反馈信号Uf和输入信号U同相位，即φF＝0，满足振荡条件中相位平衡条件，此时电路产生谐振ω＝ω0＝1/RC为振荡电路输出正弦波角频率，即谐振频率fo为

当输入信号角频率低于ω0时，反馈信号相位超前，相位差φF为正值；而当输入信号角频率高于ω0时，反馈信号相位滞后，相位差φF为负值。
正是利用RC串并联网络这一选频特征，组成了RC正弦波振荡电路。

3、设计方案和比较
常见RC正弦波振荡电路设计方案和特点比较
常见RC正弦波振荡电路有桥式、移相式和双T式三种振荡电路。
3.1RC移相振荡电路
RC移相振荡电路原理，电阻选择R>>Ri。振荡频率f0=1/（2π√6RC）；起振条件是基础放大电路A电压放大倍数|A|﹥29；电路特点是结构简单，但选频作用差，振幅不稳，频率调整不便，频率范围是几赫兹到十几千赫兹，通常见于频率固定且稳定性要求不高场所。
3.2RC串并联网络文氏电桥振荡电路
RC串并联网络振荡电路原理，电路振荡频率f0=1/（2πRC）；起振条件是|A|﹥3；电路特点是：能连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，振荡波形稳定不失真。
3.3双T选频网络振荡电路
双T选频网络振荡器原理，电路振荡频率是f0=1/5RC；起振条件是R'﹤R/2，|A|﹥1；电路特点：选频特征好，调频比较困难，适于产生单一频率振荡。

4 参数计算及器件选择
4.1 器件选择
购置多种元件中，选出适宜方便制作电路各个元件
R1=R2=R3=R4=3K ，Rw=[0，10K] ，50%
C1=C2=33nf ，集成运算放大器一个，二极管两个
4.2理论数据处理
由f0=1/(2πRC)得 f0 =1/（2π×3000×33^(-9)）=1607.6Hz
则产生频率为1607.6Hz正弦波
4.3试验数据处理
仿真得到数据为1.60KHz
4.4 理论数据和试验数据对比
理论数据和实际数据很靠近不过并不相同
4.5 误差分析
1.电阻值存在轻微误差。
2.示波器可能使用比较久了，波形会有误差。
3.电路中电容存在轻微误差。
4.导线之间相互影响。
5.外界噪声，温度等原因影响。

5 仿真和调试
5.1仿真软件Multisim 11.0
NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真和设计EDA工具软件。作为 Windows下运行个人桌面电子设计工具，NI Multisim是一个完整集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真和虚拟仪器技术能够很好地处理理论教学和实际动手试验相脱节这一问题。学员能够很方便地把刚刚学到理论知识用计算机仿真真实再现出来，而且能够用虚拟仪器技术发明出真正属于自己仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学首选软件工具。
NI Multisim 11.0含有以下特点：
1)直观图形界面 　　
整个操作界面就像一个电子试验工作台，绘制电路所需元器件和仿真所需测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器控制面板和操作方法全部和实物相同，测量数据、波形和特征曲线如同在真实仪器上看到。
2)丰富元器件
提供了世界主流元件提供商超出17000多个元件，同时能方便对元件多种参数进行编辑修改，能利用模型生成器和代码模式创建模型等功效，创建自己元器件。
3)很强大仿真能力
以SPICE3F5和Xspice内核作为仿真引擎，经过Electronic workbench 带有增强设计功效将数字和混合模式仿真性能进行优化。包含SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功效。
4)丰富测试仪器
提供了22种虚拟仪器进行电路动作测量：Multimeter(万用表) 、Function Generatoer(函数信号发生器) 、Wattmeter(瓦特表) 、Oscilloscope(示波器) 、Bode Plotter(波特仪) 、Word Generator(字符发生器 )、Logic Analyzer(逻辑分析仪) 、Logic Converter(逻辑转换仪) 、Distortion Analyer(失真度仪) 、Spectrum Analyzer(频谱仪) 、Network Analyzer(网络分析仪) 、Measurement Pribe(测量探针) 、Four Channel Oscilloscope(四踪示波器) 、Frequency Counter(频率计数器) 、IV Analyzer(伏安特征分析仪) 、Agilent Simulated Instruments(安捷伦仿真仪器) 、Agilent Oscilloscope(安捷伦示波器) 、Tektronix Simulated Oscilloscope(泰克仿真示波器) 、Voltmeter(伏特表) 、Ammeter(安培表) 、Current Probe(电流探针) 、Lab VIEW Instrument(Lab VIEW仪器) 、这些仪器设置和使用和真实一样，动态互交显示。除了Multisim提供默认仪器外，还能够创建LabVIEW自定义仪器，使得图形环境中能够灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序仪器。
5)完备分析手段
Multisimt提供了很多分析功效：DC Operating Point Analysis（直流工作点分析 ）、AC Analysis（交流分析）、Transient Analysis（瞬态分析）、Fourier Analysis（傅里叶分析）、Noise Analysis（噪声分析） 、Distortion Analysis（失真度分析）、DC Sweep Analysis（直流扫描分析）、DC and AC Sensitvity Analysis（直流和交流灵敏度分析）、Parameter Sweep Analysis（参数扫描分析）、Temperature Sweep Analysis（温度扫描分析）、Transfer Function Analysis（传输函数分析）、Worst Case Analysis（最差情况分析） Pole Zero Analysis（零级分析）、Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗分析）、Trace Width Analysis（线宽分析）、Nested Sweep Analysis（嵌套扫描分析）、Batched Analysis（批处理分析）、User Defined Analysis（用户自定义分析），它们利用仿真产生数据实施分析，分析范围很广，从基础到极端到不常见全部有，并能够将一个分析作为另一个分析一部分自动实施。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，含有符合行业标准交互式测量和分析功效。
6)独特射频(RF)模块
提供基础射频电路设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包含自定义RF SPICE模型）、用于创建用户自定义RF模型模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、部分RF-specific分析（电路特征、匹配网络单元、噪声系数）等组成。
7)强大MCU模块
支持4种类型单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码和16进制代码,并兼容第三方工具源代码； 包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功效寄存器等高级调试功效。
8)完善后处理
对分析结果进行数学运算操作类型包含算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等。
9)具体汇报
能够展现材料清单、元件具体汇报、网络报表、原理图统计汇报、多出门电路汇报、模型数据汇报、交叉报表7种汇报。
10)兼容性好信息转换
提供了转换原理图和仿真数据到其它程序方法，能够输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing。
5.2电路仿真
仿真电路以下图：

5.3仿真电路调试和结果
5.3.1调试使仿真输出波形为正弦波
5.3.2仿真运行结果以下：
第一个图为输出波形在频率计中测量频率
第二个图为示波器输出波形

6 实物图

如上图，得到了正弦波，说明了电路起振，并有稳定正弦波形输出，和仿真波形基础一致，并不完全相同说明有噪声，温度等外界原因影响。
下图为焊接后电路板

7 结论和心得总结
这次课程设计历时三个星期左右，经过这三个星期学习和努力，设计也基础上完成了。在这三个星期学习过程中，我发觉了本身很多不足，自己知识上存在很多漏洞，看到了自己在知识合理综合利用能力方面还是比较缺乏。即使知道这份设计其中肯定仍然存在许很多多错误和毛病，但在完成时候一直还是会有那么一点点欣慰，因为真正用心做了，努力付出过。最终做或许还是很差强人意，期望老师能够原谅，以后我一定会愈加努力！在快要两个多星期时间里，我真正体会到了学习乐趣：翻阅资料，复习以前学过相关学科知识，奔波于图书管和自习室，上网查找相关资料……为了完成这次课程设计确实很辛劳，但苦中有乐，每当处理了一个问题，攻克了一个难关，全部感到欣喜异常这次课程设计让我认识到自己在学习上不足，如以前学过电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子基础，还有电子电工实习上所学到东西在这次课程设计上全部有利用，但当要用到这些知识时我显著感觉到基础知识缺乏，以致做很吃力，这让我明白了：我一定要付出更多努力，学好每一门学科，为以后学习和工作打下坚实基础。
经过此次试验，使我学会了集成运算放大器组成RC正弦波振荡电路工作原理和电路结构，了解了RC振荡器中RC串并联网络选频特征，熟悉了常见仪表，了解电路仿真和调试基础方法，学会了使用仿真软件Multisim，深入掌握了用双踪示波器使用方法。
同时我也认识到实际操作不像设计仿真那么简单，要考虑多种意外情况，实际操作中常常发生多种多样问题，只有耐心和同学研究讨论才能顺利得以处理。
在实物焊接中我碰到了没有指定数值元器件问题，我只好临时修改了电路中元器件参数，这也是为何电路中电阻值全部是3KHz原因。还有焊接时一定要小心谨慎，我第一张电路板因为某个点虚焊而无法输出指定波形，不得不重新焊接了一个。
在课程设计中我发觉问题是随地可见，关键是发觉问题并处理问题，比如元器件购置时没有购置二极管，老师帮我取了两个二极管，使我得以完成焊接。经过这次课程，我对电子线路愈加感爱好了，在这个过程中，我学到了不少实用东西，对于电路也有了更深层次掌握，而且提升了独立处理问题能力。克服了多种问题和困难，最终我试验结果基础符合预期，基础达成了课程设计目标。这次课程设计，不仅使我在知识上取得了收获，精神上更是取得了更大激励。让我明白了学无止尽道理。我们每个人全部不应该满足于现有成就，人生就像是在攀登，当你攀登到一座山峰顶端时，你会发觉还有更多更高山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个很美好回想。
感谢老师能够给我们这么一个学习机会。

致谢
在试验过程中，感谢各位老师对我悉心教导，帮我解除了很多迷惑，团体中各位同学支持和帮助，和班级其它同学热心帮助也给我极大地助力，在此表示我对各位感谢之情。
另外，对各个参考文件作者表示谢意，是她们作品帮我处理了很多困难，使我得以完成这次课程设计。

参考文件
[1] 王冠华，《Multisim11电路设计及应用》. 国防工业出版社，，10.
[2] 吴友宇， 《模拟电子技术基础》. 清华大学出版社，
[3] 刘泉，《通信电子线路》．高等教育出版社，，5．
[4]（日）稻叶 保著，何希才，尤克译，《振荡电路设计和应用》.北京科学出版社，

附录
表1 元器件列表
名称
型号
数量
稳压电源

一台
双踪示波器

一台
数字万用表
标准型
一个
集成运算放大器
UA741CN
一个
g二极管

两个
电容
33nf
两个
电位器
10K
一个
电阻
3K
四个
导线

若干